Am Äquator treten Windgeschwindigkeiten von 540 Kilometern pro Stunde auf. Der markante Große Rote Fleck gilt als ein isoliertes, gigantisches Wirbelsturmgebiet, das relativ zur Bewegung anderer Atmosphärenstrukturen in der Umgebung zurückbleibt. Im Gegensatz zu kleineren Wirbeln ist der Große Rote Fleck seit seiner ersten Erwähnung vor mehr als 300 Jahren stabil. Erkenntnisse über die Zusammensetzung der Atmosphäre konnten durch spektroskopische Messungen sowohl von der Erde aus, als auch an Bord von Raumsonden gewonnen werden. Zusätzlichen Aufschluss über die obersten Wolkenschichten Jupiters hat die Mission Galileo gebracht, von deren Orbiter aus im Dezember 1995 ein Eintrittskörper mit sechs wissenschaftlichen Experimenten an Bord in die kalte Atmosphäre des Planeten eingetaucht ist.
Jupiters Großer Roter Fleck, ein gigantisches Sturmsystem. (© NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill)Die obersten Schichten der dichten Atmosphäre enthalten vorwiegend Wasserstoff (H2), Helium (He), Ammoniak-Eiskristalle (NH3), Ammoniumhydrogensulfid (NH4HS) sowie Wassereis und Wassertröpfchen (H2O). Der Planet besteht zu einem großen Teil aus einem molekularen Wasserstoff-Helium-Gemisch. Aufgrund des hohen Drucks geht der Wasserstoff ab einer Tiefe von etwa 20.000 Kilometern in einen metallischen Zustand über. Dabei lösen sich die Elektronen von ihrem Atomkern und werden frei beweglich. Dieser elektrisch sehr gut leitende und um den Jupiterkern rotierende metallische Wasserstoff dürfte die Ursache für das enorm starke Magnetfeld des Jupiter sein. Im Zentrum des Planeten befindet sich vermutlich ein Gesteinskern, der 12 bis 45 Erdmassen in sich vereint. Dort erreichen die Temperaturen 36.000 Grad Celsius und es herrschen Drücke von mehr als 30 Millionen bar.
Nach der NASA-Raumsonde Galileo, die sich von 1995 bis 2003 in einer Umlaufbahn um Jupiter befand, erreichte als zweiter Orbiter um den Riesenplaneten die NASA-Mission Juno am 4. Juli 2016 ihr Ziel. Sie umkreist Jupiter auf einer langgestreckten polaren Bahn, die im jupiternächsten Punkt mit ihren Messinstrumenten bis auf 3500 Kilometer an die Wolkengrenze herankommt. Juno führt eine detaillierte Untersuchung des inneren Aufbaus des Riesenplaneten und seiner polaren Magnetosphäre durch. Entgegen bisheriger Modellannahmen zeigen erste Ergebnisse, dass Jupiter einen sehr großen, nicht klar von den darüber liegenden Schichten abgegrenzten Kern besitzt. Das Magnetfeld Jupiters erweist sich als stärker und weitaus komplexer als aus den bisher vorliegenden Daten angenommen. Zudem zeigt die Jupiteratmosphäre in Bezug auf Temperatur und Zusammensetzung starke Zonierungen, die neue Modelle der Dynamik der Jupiteratmosphäre erfordern. Durch Messungen des polaren Magnetfelds und Daten der Partikeldetektoren wurde deutlich, dass die Erzeugung des Polarlichts auf Jupiter deutliche Unterschiede zu den entsprechenden Prozessen auf der Erde aufweist. Mit insgesamt zunächst 32 Orbits erreicht Juno innerhalb der ursprünglich auf zwei Jahre angelegten wissenschaftlichen Missionsphase mit den Messinstrumenten eine gesamte Abdeckung der Atmosphäre und des Aufbaus des Riesenplaneten.